HU227659B1

HU227659B1 - Process for ph-control and stochiometric ph-stat apparatus

Info

Publication number: HU227659B1
Application number: HU0600636A
Authority: HU
Inventors: Marta Dr Szekeres; Tamas Dr Fuelei; Zoltan Dr Gingl; Etelka Dr Tombacz; Imre Dr Dekany
Original assignee: Univ Szegedi
Priority date: 2006-08-08
Filing date: 2006-08-08
Publication date: 2011-10-28
Also published as: WO2008017899A3; WO2008017899A2; HUP0600636A2; HU0600636D0

Abstract

The present invention relates to a process for adjusting pH to a fixed value and a stoichiometric pH-stat means for completing the process. The process comprises the steps of (a) measuring a pH-value in a system of known reactants with reactions of known courses; (b) establishing at least one equilibrium material balance equation and at least one electroneutrality equation, wherein the reactants are taken as components; (c) solving the equations and determining thereby an amount of titrant required to decrease the difference between the measured pH-value of the system and the fixed pH-value to be reached; (d) adding a single type of titrant to the system along with applying the calculated amount of titrant as control parameter, whereby converging the measured pH- value of the system towards the fixed pH-value, wherein the added titrant is of the action of the compensation for the change in pH occurring in the system without intervention, and, if desired, in cases where the difference between the measured pH-value and the fixed pH-value exceeds a threshold value, repeating steps (a) to (d) with the same type of titrant until the reactions of the system take place or are interrupted, whereby maintaining the pH-value of the system at the fixed value (within a given tolerance level).

Description

Eljárás pH rögzített értékre való beállítására, valamintProcedure for adjusting pH to a fixed value, and

SZTÖCHtÖMETRIKUS PH-STAT ÖSSZEÁLLÍTÁSSTOCHOMETRIC PH-STAT ASSEMBLY

A jelen találmány tárgya pH rögzített értékre történő beállítására szolgáló eljárás, valamint az eljárás foganatosítására szolgáló sztöchlometrlkus pK-stat összeállítás,The present invention relates to a method for adjusting the pH to a fixed value and to a stoichiometric pK-stat for carrying out the process,

A kémiai, biokémiai és biológiai folyamatok általában csak jói meghatározott pH-érték fennállása mellett zajlanak le a kívánt módon, azaz például megfelelő sebességgel és/vagy megfeleld eredménnyel. Egy adott folyamat közvetlen eredményeként bekövetkező pH-változás a foiyamatbeli kémiai reakció leállásátChemical, biochemical and biological processes are generally carried out at a well-defined pH, as desired, e.g., at appropriate rates and / or with satisfactory results. A change in pH as a direct result of a given process stops the chemical reaction in the process

10- válthatja ki vagy csökkentheti a reakció lefolyásának sebességét. Ennek megfelelően általános cél, hogy a reakciöközegben ténylegesen fennálló és mérhető pHérték minél jobban közelítse a reakció lefolyása szempontjából optimális értéket.10- can change or decrease the rate of reaction. Accordingly, it is a general goal that the actual and measurable pH in the reaction medium be as close as possible to the optimum in the course of the reaction.

A pH rögzített értéken tartását általában pufferoldatok alkalmazásával biztosítják, vagy a pH megváltozását erős sav, Illetve erős lúg titrálásszerü headago15 lása útján kompenzálják, A pufferek alkalmazása elsősorban a biológiai rendszerek esetében terjedt ei. Ennek hátránya, hogy a pofferkapacltás nem mindig számítható pontosan, így a szükségesnél általában nagyobb koncentrációjú paffért használnak, A fellépő eiekírollthatss ennek eredményeként zavarhatja a tekintett biológiai rendszerben zajló reakció(k) lefolyásának feltárását. A pufferek alkalma20 zásának egy további hátránya, hogy bizonyos esetekben - például políelektroiil jellegű biokollcid (protein, poiiszacharldj oldatok rendszereiben - az elektrolitok jelenléte nemkívánatos aggregácsóhoz vezethet. Emellett a puffer ionjai az adott rendszer molekuláival specifikus kölcsönbatás(ok)ha léphetnek, Illetve magát a vizsgálni kívánt egyensúlyi folyamatot vagy reakciót (például enzimreakciót) is módosíthatják.Fixed pH is generally provided by the use of buffer solutions, or compensated for by a strong acid, or a strong alkaline titration head, 15 The use of buffers has mainly been used in biological systems. The disadvantage of this is that the buffer capacity is not always accurately calculated, so that a higher concentration of the paffer is usually used. As a result, the elicitation of the buffer may interfere with the exploration of the reaction (s) in the biological system in question. A further disadvantage of using buffers is that in some cases, for example in polyelectro-like biocollcid (protein, polysaccharide) systems, the presence of electrolytes can lead to undesirable aggregation. In addition, the ions of the buffer may they may also modify a desired equilibrium process or reaction (e.g., an enzymatic reaction).

Általánosságban tekintve „pH-siat készüíék/eijáíás/öss2eáilllás^,< alatt olyan készüléket/eijárásVösszeállííásí értünk, amellyel egy adott kémiai rendszerben a pH értéke előre meghatározott toleranciával folyamatosan egy beállított rögzített pH-értéken tartható, vagyis a pH megváltozása folyamatosan kompenzálható.In general, "pH device / process / assembly" refers ^to a device / process that maintains a pH in a given chemical system at a predetermined tolerance at a predetermined fixed pH, i.e., a constant change in pH.

Λ,Λ,

ISIS

A szakmában ismert pH-stat készülékek kivétel nélkül a PID (pröporcíonáfis, integrális és differenciális), az AAA (additív adaptációs), a „neurális hálózat*, valamint ezekhez hasonló alapelvű további matematikai algoritmusok segítségévei, un. adaptációs paraméterek becslésén keresztül szabályozzák a reakcióközeg pH-értékét, A reakolőközeg kémhatásának változásait a pH-változás kinetikáját (annak változási sebességét) mérve próbálják meg minél pontosabban kompenzálni; a reakcióközegbe a mért kinetika alapján becsült adaptációs paramétereknek megfelelő mennyiségű erős savat vagy lúgot (továbbiakban együttesen titrálőszert) juttatnak be tltráiásszerüon, A módszer egyik hátránya, hogy a pH-változás kinetikáján alapuló titrálószer-adagolás nem elég pontos: minél gyorsabban változik a pH, annál pontatlanabb a becslés és ezáltal a hozzáadni szándékozott tifrálőszer mennyiségének a meghatározása, vagyis végső soron magának a pHválíözásnak a kompenzálása is, A vizsgálat tárgyát képező rendszerben tehát folyamatos az optimális pH-érték kisebb-nagyobb mértékű túllépése, amit ismételt becslést követően szükség szerint egy, az addigival éppen ellentétes irányú pHváitozást kiváltó titrálószer hozzáadásával próbálnak ellensúlyozni. Vagyis miközben a rendszerbe felváltva savat és lúgot adagolnak, a pH tényleges értéke a kívánt optimális pH-érték körül egy, a becsült adaptációs paraméterek értékeitől függő tartományban ingadozik, „oszcillál. Emiatt a pH-változás tompítására ilyen esetekben is elterledten alkalmaznak puífereket.The pH-devices known in the art are, without exception, using PID (additive adaptation, integral and differential), AAA (additive adaptation), "neural network", and other basic mathematical algorithms such as the so-called. adjusting the pH of the reaction medium by estimating the adaptation parameters. Attempts are made to compensate for changes in the pH of the reaction medium as accurately as possible by measuring the kinetics of the pH change (its rate of change); one of the disadvantages of the method is that the dosage of the titrator based on the kinetics of the pH change is not accurate enough: the faster the pH changes, the faster it is less accurate to determine the estimation and thus the amount of lubricant to be added, that is, ultimately to compensate for the pH change itself. Thus, the system under test has a constant increase in the optimum pH, followed, if necessary, by in the meantime, they are trying to counteract the pH change by adding a titrating agent that causes the opposite. That is, as acid and alkaline are added alternately to the system, the actual pH will oscillate around the desired optimum pH, depending on the values of the estimated adaptation parameters. Because of this, buffers are widely used in these cases to dampen the pH change.

A vizsgált rendszerben többnyire a reagensfogyásnak megfelelő ütemben lassul a reakció, így a títráíöszer-adagolás sebességét folyamatosan hozzá kell igazítani a reakció aktuális üteméhez. Ennek hiányában a vizsgált rendszerben könnyen visszafordíthatatlan, a végcél szempontjából általában káros változások léphetnek fel, ami bizonyos esetekben, például különféle minták diagnosztikai célú elemzésénél megengedhetetlen. A titrálószer adagolási sebességének folyamatos hangolása megbízható módon csak rendkívül összetett és drága, űn. öntanuló készülékekkel valósítható meg, mint amilyenek például a „neurális hálózat” alapú készülékek. Ezek egyik példaként! változatát J. Havel, P, Lubal, M. Farkova szerzőknek az Eva/uaáon of Crtemíca/ Equdbria wftft fhe üse of Artfficiat NauralIn the system under test, the reaction rate is slowed down in most cases at a rate corresponding to reagent consumption, so the rate of addition of the detergent must be continuously adjusted to the actual rate of reaction. Failure to do so may result in changes that are easily irreversible in the system under investigation, which are generally detrimental to the final destination, and which are in some cases unacceptable, for example, when analyzing different samples for diagnostic purposes. Continuous tuning of the titrator dosing rate reliably is only extremely complex and expensive, sin. This can be achieved by self-learning devices such as "neural network" devices. These are one example! J. Havel, P, Lubal, M. Farkova, authors of the Eva / uaáon of Crtemíca / Equdbria wftft fhe üse of Artfficiat Naural

Networks o. közleménye (Poíyhedron, 21, 1375-1384, 2002) tárgyalja részletesen.Networks o. (Polyhedron, 21, 1375-1384, 2002).

χ φ « * X φ φ φ- Φ φ Vχ φ «* X φ φ φ- Φ φ V

A jelen találmánnyal eélurtk olyan eljárás, valamint <The present invention provides a method of treating <RTIgt;

tasara szolgáló olyan összeállítás megvalósítása, amely ismert lefolyású reakciók esetében kiküszöböli a napjainkban eltegedten használatos pH-stat eljárásokkal és készülékekkel kapcsolatos előzőekben tárgyalt problémákat. A jelen találmánnyal speciálisan célunk olyan pH-stat eljárás és összeállítás kidolgozása,, amelyek alkalmazásával elkerülhető a vizsgált rendszerben az aktuális pH~értéknek a fenntartani kívánt pH-éríék körüli véletlenszerű és előre nem várt mértékű oszdllálása. A találmánnyal emellett további célunk olyan eljárás és összeállítás kidolgozása is, amelynél nincsen szükség a ρΗ-változás követése szempontjából kritikus adaptációs paraméterek becslésére. A találmánnyal emellett további célunk még olyan eljárás és összeállítás megvalósítása is, amelynél a pH-érték anélkül tartható előre meghatározott értéken, illetve egy ezen érték körüli előre kijelölt tartományban, hogy ehhez bonyolult és költségesen implementálható öntanuló „neurális hálózat alapú algoritmusok használatára lenne szükség.to accomplish a solution for the known course of reactions that eliminates the problems discussed above with regard to pH-methods and apparatuses nowadays used extensively. It is a particular object of the present invention to provide a pH-stat method and composition that avoids the unintentional and unexpected divergence of the actual pH in the test system around the desired pH value. It is a further object of the present invention to provide a method and assembly that does not require the estimation of adaptation parameters critical for tracking the ρΗ change. It is a further object of the invention to provide a process and composition for maintaining the pH at a predetermined value or within a predetermined range around this value without the need for complex and costly implementation of self-learning neural network based algorithms.

Vizsgálataink során arra a következtetésre jutottunk, hogy Ismert anyagi minőségű összetevőket ismert mennyiségben tartalmazó rendszerek esetén a lejátszódó reakcióik) mechanizmusának pontos ismeretében a rendszerbeli pHérték kívánt pontossággal állandó értéken tartható úgy, hogy csupán egyetlen típusú (azaz vagy csak sav, vagy csak lúg) titráíószert adagolunk be a rendszerbe, mégpedig a rendszerre jellemző kémiai egyensúlyíok) felhasználása alapján számítolt mennyiségben. így jelentős mértékben csökken a reakcióközegben fellépő elektroíithatás, továbbá jelentősen mérséklődik annak veszélye is, hogy a rendszer (például egy vizsgálati minta) véletlenül károsodik. Emellett nincsen szükség adaptációs paraméterek becslésére, valamint ellentétes hatású titrálószerek sok. esetben pontatlan paraméterek alapján meghatározott mennyiségben történő egymás utáni adagolására. Végezetül, a kívánt pH-érték (a pH-mérés kísérleti pontosságán belül) pontosan beállítható és folyamatosan fenntartható.In our studies, it has been concluded that for systems containing known material quality components in known quantities, the systemic pH can be kept constant with the desired precision by adding only one type of titrating agent (i.e., either acid or alkali only). into the system, calculated using the system-specific chemical equilibria). Thus, the electrolytic effect in the reaction medium is significantly reduced and the risk of accidental damage to the system (e.g., a test sample) is significantly reduced. In addition, there is no need to estimate adaptation parameters, and many titrating agents with opposite effects are required. in the case of sequential dosing based on inaccurate parameters. Finally, the desired pH (within the experimental accuracy of the pH measurement) can be accurately set and continuously maintained.

A pH rögzített értékre való beállítására szolgáló eljárás elérésére irányuló célkitűzést az 1. igénypont szerinti eljárás kidolgozásával értük el. A találmány szerinti eljárás lehetséges előnyős példaként! változatait a 2-8. igénypontok határozzák meg. A pH állandó értéken tartására szolgáló sztöchiometríkus pH-stat összeállítás létrehozására irányuló célkitűzést 7. igénypont szerinti összeállítás ki30The object of achieving a method for adjusting the pH to a fixed value is achieved by developing a method according to claim 1. The process according to the invention is a possible preferred example. 2-8. claims. The objective of establishing a stoichiometric pH stat composition for maintaining pH constant according to claim 7

* ♦ 9 t* 1* ♦ 9 t * 1

4*·* dolgozásával értük el. A találmány szerinti összeállítás· tehetséges előnyös példaként! kiviteli alakjait a 8-12. igénypontok határozzák meg.4 * · *. The composition of the invention is a gifted advantageous example. 8-12. claims.

A találmányi gondolaton alapuló pH-stat eljárás, valamint az annak foganatosítására szolgáló szíőehiometrlkus pH-stat összeállítás előnye a napjainkban elterjedten alkalmazott automata tifráláberendezésekhez képest abban áll, hogy ezek esetében nincsen szükség költséges és időigényes tanulás! szakaszok beiktatására, illetve azok a pH előirt értéken tartását csupán egyetlen típusú titrálószer (azaz vagy csak sav, vagy csak lúg) precíz beadagolása ólján biztosítják. A találmány szerinti pH-beállitásra szolgáló eljárás során az önként végbemelö nó folyamatban termelődő protonok vagy bidroxidionok mennyisége ekvivalens mennyiségben kerül semlegesítésre a szükséges beadagolandó titráiőszer pontos mennyiségének a kémiai rendszer ismeretében történő- számítása útján. A kívánt pH~érték körüli ingadozás az előre megszabott toleranciaszint rögzítésével: a lehető legkisebbre korlátozható.. A kémiai rendszer szempontjából káros mértékű pH-túlíépés veszélye ezzel teljes egészében kiküszöbölésre kerül, vagy legalábbis minimálisra csökkenthető. Emellett, amint az a találmány alábbiakban következő részletes ismertetése alapján nyilvánvaló tesz majd, a kidolgozott pH-stat eljárás és összeállítás az egyensúlyi anyagrnéríegegyentet(ek)oek és elektroneutralításl egyenlet(ek)nek a vizsgálat tárgyát képező rendszerre történő adaptálásával tel20 szoléges protontranszfer folyamathoz könnyedén hozzásgazifhatóak. Ennek megfelelően az elvégzett vizsgálatok fényében a találmányi gondolaton alapuló pH-stat eljárás és összeállítás hasonlóan eredményesen alkalmazható (a) erős savaf/erös lúgot tartalmazó kémiai rendszerben a pH rögzített értéken tartására;The advantage of the inventive concept pH-stat method and the color-hiometric pH-static composition for its implementation is that it does not require costly and time-consuming learning compared to the widespread use of automated transducers. sections and the maintenance of their pH at the desired level is ensured by the precise addition of only one type of titrating agent (i.e. either acid or alkali only). In the process of adjusting the pH according to the invention, the amount of protons or bidroxide ions produced in the voluntary process is neutralized by calculating the exact amount of titration agent to be added, knowing the chemical system. Fluctuations around the desired pH value can be minimized by fixing a predetermined level of tolerance. The risk of a pH overrun that is harmful to the chemical system is thus eliminated or at least minimized. In addition, as will be apparent from the following detailed description of the invention, the developed pH-stat method and assembly can be readily adapted to the proton transfer process of tel20 by adapting the equilibrium material equation (s) and electron neutralization equation (s) to the system under study. . Accordingly, in the light of the studies performed, the pH stat method and composition of the present invention can be similarly successfully used to (a) maintain a fixed pH in a chemical system containing strong acid / strong alkaline;

(b) gyenge savat/gyenge lúgot tartalmazó kémiai rendszerben a pH tetszőleges értékre történő beállítására;(b) adjusting the pH to any value in a chemical system containing weak acid / weak alkali;

fc) gyenge savat/gyenge lúgot tartalmazó kémiai rendszerben adott külső reakeió/folyamat hatására jelentkező sav/lúg fogyása/keletkezése mellett a rendszerbeli pH állandó értéken tartására.(fc) maintaining the pH of the system in the presence of a weak acid / weak alkaline chemical system by external consumption / formation of acid / alkali as a result of an external reaction / process.

Tehát a találmány szerinti pH-stat eljárás, valamint az annak foganatosítására szolgáló sztőehiomelhkus pH-stat összeállítás széleskörű és költséghatékony felhasználhatósággal bír, például a kémiai analitikai vizsgálatok területén.Thus, the pH-stat method of the present invention and the stoichiomelic pH-composition for its implementation have wide and cost-effective applications, for example in the field of chemical analytical tests.

♦ 4 4 4♦ 4 4 4

A találmányt a továbbiakban a csatolt rajzra hivatkozással ismertetjük, részletesen, ahol az iieh a meatestesífoThe invention will now be described with reference to the accompanying drawings, in which:

-· 1, ábra a találmány egyik tehetséges példakéntl kivi sztöchiometrikus pH-stat összeállítás elvi vázlata; a 5 - 2. ábra a találmány szerinti pH-stat eljárás lényegi részét képező pH-szabályozási lépés folyamatábrája; a ~ 3. ábra a pH rögzített értéken tartására szolgáló eljárás egyik, gyakorlatban előnyösen alkalmazható változatának blokkdiagramja; aFigure 1 is a schematic diagram of a stoichiometric pH composition exemplary of the present invention; Figures 5 to 2 are flow charts of a pH control step that is an integral part of the pH stat process of the present invention; Figure 3 is a block diagram of a practical embodiment of a method for maintaining pH at a fixed value; the

- 4A ábra díklórecetsav (DCA) fotokataiitikus bontási folyamatának a 2, és 3. ábW rákon bemutatott eljárással és az ezen eljárás foganatosítására szolgáló sztöchiometrikus pH-stat összeállítással végzett nyomon követését mutatja a DCA-boz titráloszerként kizárólagosan hozzáadott lúg térfogatának időbeli változása formájában; és aFig. 4A shows the monitoring of the photocatalytic decomposition process of dichloroacetic acid (DCA) by the method shown in Figures 2 and 3 and the stoichiometric pH composition for performing this procedure, in the form of a change in the volume of alkali exclusively added as DC titrator; and the

- 4B ábra a 4A ábra szerinti fotokataiitikus folyamatban bekövetkező pH-válto15 zást, illetve annak kompenzálását szemlélteti az idő függvényében.Figure 4B illustrates the change in pH of the photocatalytic process of Figure 4A and its compensation over time.

Az 1. ábra a találmány egyik tehetséges példakéntl kiviteli alakját megtestesítő sztöchiometrikus pH-stat 10 összeállítás elvi vázlatát mutatja. A pH-stat 10 összeállításnak lényegileg két fö része van, egy mérő- és egy beavatkozószerv, amelyek mindegyike 28 íelöolgozóegységgei áll adattovábbító összeköttetésben,Figure 1 is a schematic diagram of a stoichiometric pH-stat 10 formulation illustrating an exemplary embodiment of the present invention. The pH-stat assembly 10 has essentially two main parts, a measuring and actuating device, each of which has 28 processing units in communication with the data,

A mérőszervnek 12 pH-elektródja, legalább egy bemenetével ezen 12 pH-elektróddal villamosán csatlakoztatott 15 jelátalakító egysége, valamint legalább egy bementével ezen 15 jelátalakító egység megfelelő kimenetével villamosán csatlakoztatott 18 mikrovezérlőle van, A 18 mikrovezérlö egyik kimenete, a mérőszerv egyik kimeneteként, a 28 feidolgozőegységgel áll adattovábbító összeköttetésben.The meter has a pH electrode 12, a transducer unit 15 electrically connected to the pH electrode 12 with at least one inlet, and a microcontroller 18 electrically connected to the respective output of this transducer 15 with at least one input, one of the outputs of the microcontroller 18 is connected to a data processing unit.

A 18 mikrovezérlö és a 28 feldolgozóegység adattovábbító összeköttetése célszerűen arra alkalmas (rajzon külön nem ábrázolt) interfész segítségévei történik. A 26 feldoigozóegység legalább 23 memóriát, 24 processzort és 25 adattároló eszközt tartalmaz, amelyek egymással villamos összeköttetésben állnak. A 23 memória és a 25 adattároló eszköz célszerűen a 24 processzortól fizikailag eíküíönűloen vannak kialakítva, bár azok a 24 processzor belső memóriájaként is megvalósíthatóak, A 28 feldolgozóegységet egyik előnyös kiviteli alakjában (célszerűen hordozható) személyi számitógép képezi.The data transfer connection between the microcontroller 18 and the processing unit 28 is conveniently provided by a suitable interface (not shown in the drawing). The processing unit 26 comprises at least 23 memories, 24 processors and 25 storage devices which are electrically connected to each other. Preferably, the memory 23 and the data storage device 25 are physically different from the processor 24, although they may also be implemented as internal memory of the processor 24. In one preferred embodiment, the processing unit 28 is a (preferably portable) personal computer.

*♦ φφ ** ít φ φ ς» Φ * * Φ 6 Φ φ ** X * ί Λ· » *· * * . * <4 X* φ Φ* *#* ♦ φφ ** judgment φ φ ς »Φ * * Φ 6 Φ φ ** X * ί Λ ·» * · * *. * <4 X * φ Φ * * #

Α 12 pH-elektródot egy jó reprodukáló képességgel (célszerűen legalább ±0,05 pH-egységnyi) és nagy pontossággal (célszerűen legalább ±0,01 pH-egységoyi) jellemzett, a pH mért értékét kimenetén előnyösen villamos jel, célszerűen villamos feszültség formájában előállító aktivált pH szenzor képezi. A konkrétan vizsgált kémiai rendszertől függően a 12 pH-elektród egyéb típusú (kimenetén előnyösen szintén villamos lelet, célszerűen villamos feszültséget szolgáltató) szenzorral (például lonszelekfiv elektródokkal, redox elektródokkal, íenzld-szelektiv elektródokkal, valamint ezekhez hasonló egyéb elektródokkal) helyettesíthető.Α 12 pH electrodes characterized by good reproducibility (preferably at least ± 0.05 pH units) and high accuracy (preferably at least ± 0.01 pH units), preferably producing an electrical signal at the output, preferably in the form of an electrical voltage activated pH sensor. Depending on the particular chemical system being tested, the pH electrode 12 may be replaced by other types of sensors (preferably also electrically powered at its output) (e.g., ion selective electrodes, redox electrodes, ligand-selective electrodes, and the like).

A 15 jelátalakító egység a bemenetére érkező analóg villamos jeleket egy, célszerűen a 15 jelátalakító egység részét képező 16 analóg-digitális átalakító segítségével digitális jelekké konvertálja. A 18 analóg-digitális átalakító előnyösen egy 24-bites átalakító, azonban ettől eltérő átalakítót is használhatunk. A 15 jelétalakító egység bemenetére érkező analóg jel szükség esetén a digitalizálást megelőzően 14 előerősítővel végrehajtott erősítésen esik át. Több beérkező villamos jel egyidejű kezelését a 15 jelátalakító egység részét képező (rajzon külön nem ábrázolt) beépített jeikiválasztö (multiplexer) segíti. Ahhoz, hogy a későbbiekben részletesen ismertetésre kerülő eljárás a kívánt pontossággal legyen végrehajtható, a 16 analóg-digitális átalakító mintavételezési gyakorisága célszerűen 10 adat/s, ennél előnyösebben 15 adat/s, még előnyösebben pedig 20 adat/s, bár ettől eltérő mintavételezési gyakoriság is használható.The signal converter unit 15 converts the analog electrical signals arriving at its input to a digital signal by means of an analog-to-digital converter 16, which is part of the signal converter unit 15. The analog-to-digital converter 18 is preferably a 24-bit converter, but a different converter may be used. If necessary, the analogue signal to the input of the signal converter unit 15 is amplified by pre-amplifier 14 prior to digitization. A multiplexer (not shown in the drawing), which is part of the transducer unit 15, aids in the simultaneous handling of multiple incoming electrical signals. In order for the procedure described below to be carried out with the desired accuracy, the sampling rate of the analog-to-digital converter 16 is preferably 10 data / s, more preferably 15 data / s, even more preferably 20 data / s. to use.

A beavatkozószerv legalább egy 20 adagolóeszközt foglal magában. A 20 adagolóeszközt célszerűen egy programozható és automatizált adagolőeszköz (például Dosimat (Métrohmj, vagy más típusú automata büretta) képezi. A 20 adagolőeszköz titrálószert (a lefolytatni szándékozott kémiai reakciótól függően igény szerint vagy erős lúgot, vagy erős savat) tartalmazó 20 a foiyadéktartállyal foíyadéktovábbitó kapcsolatban áll. Emellett a 20 adagolőeszköz a 28 feldolgozóegységgel adattovábbító kapcsolatban áll. A 20 adagolóeszköz viszonylag kis adagolási térfogattal (kb. 2 pl) és viszonylag nagy adagolási sebességgel (kb. 1000 pl/s) rendelkezik. Több 20 adagolóeszköz alkalmazása esetén az egyes adagoíő30 eszközök mindegyike azonos típusú titrálószert (azaz vagy lúgot vagy savat) tartalmazó 20a foiyadékfartállyal/folyadéktartályokkaí van csatlakoztatva, vagy egyX ·» Φ * « $ *The actuator comprises at least one dispensing means 20. The dosing device 20 is preferably a programmable and automated dosing device (e.g., Dosimat (Métrohmj or other type of automated burette). The dosing device 20 may be associated with a fluid reservoir containing a titrating agent (either strong alkaline or strong acid) depending on the chemical reaction being performed. In addition, the dosing means 20 is in communication with the processing unit 28. The dosing means 20 has a relatively low dosing volume (about 2 µl) and a relatively high dosing rate (about 1000 µl / s). each connected to a fluid reservoir / fluid reservoirs 20a containing the same type of titrant (i.e., either an alkaline or an acid), or an X · »Φ *« $ *

Φ egy reakció lejátszódása során titráíószer-adagolás csupán egyetlen 20 adagolóeszközzel hajtható végre.Során During the course of a reaction, the addition of a titrating agent can be accomplished with only one dosing means 20.

A sztöohiometríkus pH-stat 10 összeállítás egy lehetséges másik változata a fentieken túlmenően különféle kiegészítő elemekkel is felszerelhető. Ilyen klegé5 szító elem például a mérés pontosabb végrehajthatósága céljából adott esetben Inért gáz (például N₂) betáplálását, vagy adott esetben a reakció lefolyását elősegítő gáz (például O₃) adagolását szabályozó elektronikusan vezérelt 21 mágnesszelep, továbbá a reakció folyamán a rendszer homogén anyageloszlásának biztosítására szolgáló elektronikusan vezéreit 22 keveröszerv, és/vagy a vizsgálat íö- tárgyát képező rendszer (és így a reakció) hőmérsékletének mérésére szolgáló 32 hőmérsékletmérő, valamint a 32. hőmérsékletmérő jele alapján a rendszerbeli hőmérsékletet adott/kivánt értékre beállító és azon megtartó 33 termosztát. Ezen kiegészítő elemek rendszerint a 13 mikrovezérlövel állnak közvetlen villamos kapcsolatban, bár vezéílésükebjeleík fogadását a 23- feldolgozóegység: is végezheti.Another possible variant of the stoichiometric pH-stat 10 assembly may be provided in addition to various additional elements. Such a cooling element may be, for example, an electronically controlled solenoid valve 21 for controlling the feeding of an inert gas (e.g., N ₂ ) or optionally a reaction gas (e.g., O ₃ ) for more accurate measurement and for the homogeneous distribution of material throughout the reaction. a thermostat 32 for measuring the temperature of the electronically controlled agitator 22, and / or a thermometer 32 for measuring the temperature of the system being tested (and thus for the reaction), and a thermostat 33 for setting / maintaining the system temperature. These auxiliary elements are usually in direct electrical contact with the microcontroller 13, although their control signals may also be received by the processing unit 23.

A találmány elé kitűzött műszaki probléma megoldása, vagyis a kémiai egyensúlyi állapotra végzett számítások eredményeit vezértöparaméterekként felhasználva végrehajtott pH-stal eljárás általánosságban tekintve az alábbiak szerint zajlik.The solution to the technical problem of the present invention, that is, the pH-process performed using the results of the chemical equilibrium calculations as control parameters, is generally as follows.

Kiindulásként a vizsgált kémiai rendszerre jellemző kémiai reakciók isme20 relében felállítjuk az anyagmérlegegyenletet a rendszerben jelen lévő bírálandó savra/lúgra, mint komponensre (savmaradék/bázis sztöchiometrial. Ugyanígy felírjuk az egyensúlyi megoszlásban részt vevő proton, mint komponens, anyagmériegegyenletét is (proton sztőchiometría). Ez megmutatja, hogy a teljes protonmennyiség milyen kémiai egységek (speeíációs formák) között oszlik meg. A szá25 mifáshoz szükséges harmadik egyenlet az egyes speeíációs formák közötti megoszlási egyensúlyt határozza meg. Az így kapott összefüggések mellett figyelembe vesszük még az elektroneutrahtás teltételét, miszerint a vizsgált rendszerben jelen lévő anionok koncentrációinak összege megegyezik a rendszerben jelen lévő kationok koncentrációinak összegével. Az így megkonstruált egyenletekből álló egyenletrendszert egyszerű algebrai műveleteket (analitikusan vagy numerikusán) végrehajtva a vizsgálat tárgyát képező rendszert jellemző egyenletre redukáljuk. Ezen egyenletből a proíonkoncentráciá, az adagolandó tltrálőszer mennyisége •X* jC* *.£ g « X y 9 x * ¥ * * A $ * <··»»« $ » « A X «. V »As a starting point, the chemical reactions characteristic of the chemical system under study are set up in the equilibrium equation for the acid / base to be evaluated in the system as a component (acid residue / base stoichiometry. The third equation for the numerical equation defines the distribution equilibrium between each of the different forms of spin-off. In addition to this, we take into account the assumption of electron neutrality that is present in the system under study. The sum of the concentrations of the anions in the system equals the sum of the concentrations of the cations present in the system. The system of equations constructed in this way is simple algebraic brain numerically) is reduced to the characteristic equation of the system under study. From this equation, the concentration of proton to be added is the amount of diluent to be added • X * jC * *. V »

A*** ·** V» * ·♦' ** (előnyösen annak térfogata) vagy az egyensúlyi disszociáciős állandó egyaránt kifejezhető a másik két mennyiség és további ismert mennyiségek (beadagolt titrálószer koncentrációja, vizsgált rendszer kiindulási térfogata) vagy egyensúlyi állandók (a víz vagy a lejátszódé reakcló(k) egyensúlyi disszociáciős állandói) függvényében. A találmány szerinti pH-stat eljárás megvalósításához a szóban forgó egyenletből az adagolandó titrálószer mennyiségét fejezzük ki. Megjegyezzük, hogy a szóban forgó egyenletből a protonkoncentráció és az egyensúlyi disszociáciős állandó szintén kifejezhető, így a kapott egyenlet tltrálási görbe jellemzésére vagy a titráini szándékozott rendszerben lévő sav/lúg minőségének, a jellemzésére is kiindulópontként szolgálhat.*** · ** V »* · ♦ '** (preferably its volume) or the equilibrium dissociation constant can be expressed as the other two amounts and other known quantities (concentration of titrator added, initial volume of the test system) or equilibrium constants (the water or equilibrium dissociative constants of the reactor (s). In order to carry out the pH-stat method according to the invention, the amount of titrator to be added is expressed from said equation. Note that the proton concentration and equilibrium dissociation constant of the equation in question can also be expressed as a starting point for characterizing the displacement curve or for characterizing the acid / base quality of the titrated system.

A szóban forgó egyenleteket és azok származtatását tömören az al bán meg.The equations in question and their derivation are concisely summarized.

1. Egy HA sav (HAJ <> [A] + (H⁺j szerinti disszociációja esetén a folyamat Ka egyensúlyi disszociáciős állandójára fennálló összefüggést figyelembe véve a disszociált savmaradék koncentrációja az [A] ~ (K_d * CmMKd * [H*]) összefüggéssel számítható, ahol [.] az adott ion koncentrációját jelöli, ο«α pedig a teljes savkoncentrácíö, felhasználva továbbá, hogy cha ~ [A] * (HA],1. In the case of a HA acid (HA <> [A] + (H ⁺ j), the concentration of the dissociated acid residue is given by [A] ~ (K _d * CmMKd * [H *]), taking into account the equilibrium dissociation constant of the process Ka equation, where [.] denotes the concentration of a given ion and ο «α is the total acid concentration, further using cha ~ [A] * (HA),

2. Adolf pH beállítása céljából például a HA sav IVföH lúggal végrehajtott fitrálásánál minden pillanatban teljesül az eíektroneutralitás elve, miszerint [ΜΊ * [H*] ~ (A] ·*· [OH']. Itt íM⁺j kifejezhető a titrálószer (jelen esetben lúg) koncentrációjával, a titrálószer beadagolt vw mennyiségével, valamint a rendszer tltrálási lépést megelőző v_ö térfogatával az (M*j ~ (c<i_tr * v_íi{f)/(vo * v_ífi!-) összefüggés formájában, míg [H*] számítható, például egy, a 12 pH-elektrődra előzetesen elvégzett kalibrálás alapján, amit a későbbiekben részletezünk majd. Felhasználva a K_v ~ i[H*J * (OH] vizionszorzatof, valamint azt, hogy titrálószer (pl. lóg) val a rendszertérfogat megnövekszik és a higulás miatt ennek arányában a teljes savkoncentráció csökken, az eíektroneutralitás feltétele a (Ctitr * V;i_ír)/(Vö te Víjf,.) + {H'j (Kfi * (Cha * Vo/(Vo- te Víír)) / (Kö te (H'*]} te (Kv / [H' j) (1) alakban írható fel. Ezen egyenletből a titrálószer pH-stat folyamat lefolytatása szempontjából alapvető v_w mennyisége egyértelműen meghatározható.For example, for the second Adolf pH adjustment carried out in the acid HA IVföH alkali fitrálásánál every moment Meet eíektroneutralitás principle that [ΜΊ * [H +] ~ (A] · * · [OH ']. Here iM ⁺ j can be expressed as the titrant (present optionally alkali) concentration of the titrant added vw amount of or to prevent the system tltrálási step v _ö volume of the (M + j ~ (C <i _{t r} v _{yl {f)} / (vo * v _{IFI -)} as the context, and [H *] can be calculated, for example, from a pre-calibration of the pH electrode 12, which will be described in more detail below, using K _v i [H * J * (OH]) as a multiplier of vision, e.g. ) as the volume of the system increases and the total acid concentration decreases due to dilution, the condition of electron neutrality is (Ctitr * V; i _Irish ) / (Cf. Vjf ,.) + {H'j (Kfi * (Cha * Vo / ( Vote (Vire)) / (Rope (H '*]} you (Kv / [H' j) (1) From this equation, the amount of _w v essential to the pH-stat process of the titrator can be clearly determined.

3. A még szükséges, protonokra vonatkozó anyagmérlegegyenletet, az egyes speciációs formák között; megoszlási egyensúlyokat és a rendszert égé303. The required equilibrium material balance equation for the protons, between each speciation form; distribution balances and the system burns30

4V «·* # * > * * * _χ**.4V «· * # *> * * * _χ **.

Μ___ szében jellemző elektroneutralitási feltételt a pH-stat folyamat tárgyát képező adott rendszer pontos ismeretében lehet felállítani. Anélkül, hogy a találmány szerinti megoldást egy speciális folyamatra korlátoznánk, ennek egy konkrét példáját (adott rendszer és abban lezajló reakciók esetére) a későbbiekben részletesen tárgyaljuk majd.Jellemző ___ the characteristic electron neutrality condition can be set with a precise knowledge of the particular system being subjected to the pH-stat process. Without limiting the invention to a specific process, a specific example of this (for a given system and its reactions) will be discussed in more detail below.

A fentiek szerint a célul kitűzött pH-stat eljárás megvalósításához a tekintett kémiai rendszert leíró egyenletrendszerből az adagolandó tltrálőszer v_tfe mennyiségét fejezzük ki. Magát a pH-stat eljárást egymás utáni lépésekben hajijuk végre. Az eljárás részét képező pH-szabályozási lépésben megvizsgáljuk, hogy a vizsgált kémiai rendszerben ténylegesen mért pH-értéknek (pH,,) a beáll Itani/tartani szán15 dékozott rögzített pH-érfektőí φ·Η&) mekkora az eltérése (ÓpH). Ha a SpH ~ jpH_m pHfixj eltérés a ΔρΗ - jpHfe ± k-pH&j (ahol k«1 tetszőlegesen kicsiny szám) összefüggéssel definiált toleranciaszintet meghaladja, kiszámítjuk az adagolandó tltrálőszer mennyiségét, majd a számított mennyiségű hfráíőszert a kémiai rendszerbe tápláljuk. Ezután a rendszer (például keveréssel felgyorsított) homogenizálását követően az új egyensúlyi helyzetre felírt egyenletrendszer alapján ismételten meghatározzuk az adagolandó tltrálőszer mennyiségét, majd az új egyensúlyi helyzetben mért pH-értéket ismételten összevetjük a rögzített pHf_ix-érfékkel. Az előirt ΔρΗ töieranciaszintnéi nagyobb eltérés esetéh ismételten meghatározzuk az adagolandó- tltrálőszer mennyiségét, amit ismételten a kémiai rendszerbe adagolunk. Ezen Iteratív eljárást mindaddig folytatjuk, amíg a vizsgált rendszerben a tekintett reakció lejátszódása be nem fejeződik vagy a reakciót meg nem szakítjuk. Megjegyezzük, hogy a ΔρΗ toleranciaszint lehetséges minimumát a pH-mérés pontossága, valamint a tifráiőszer adagoióeszközzel kladagolbato legkisebb mennyisége határozza meg, azonban az semmilyen további paramétertől nem függ. Itt kívánjuk megjegyezni továbbá, hogy a kémiai rendszerben bekövetkező pH-változást kiválthatják például abszorpciós folyamatok, bomlási reakciók, komplexképzö reakciók, sav/lúg termeiő/fogyasztó kémiai reakciók.As described above, the amount of _{tltring agent to} be added is expressed from the system of equations describing the chemical system in question to accomplish the intended pH-stat method. The pH-stat process itself is carried out in successive steps. As part of the pH control step of the process, we investigate the difference (ÓpH) of the actual pH (pH) measured in the chemical system under study with the fixed pH vessel beáll · Η & If the deviation SpH ~ jpH _m pHfixj exceeds the tolerance level defined by the relation ΔρΗ - jpHfe ± k-pH & j (where k ≤ 1 is an arbitrarily small number), calculate the amount of fertilizer to be added and add the calculated amount of hfragmentant to the chemical system. Subsequently, after homogenizing the system (e. G., Accelerated by stirring), the amount of the diluent to be added is reassessed using the equation system prescribed for the new equilibrium position, and the pH measured at the new equilibrium is repeatedly compared with the fixed pHf _ix brake. In the event of a deviation greater than the specified tolerance level ΔρΗ, the amount of the addition agent to be added is re-determined and added to the chemical system again. This Iterative procedure is continued until the reaction in the system under investigation is complete or the reaction is terminated. Note that the minimum possible tolerance level for ΔρΗ is determined by the accuracy of the pH measurement and the minimum amount of cladagolbate in the dosing medium with the dosing device, but it does not depend on any other parameter. It should also be noted that pH changes in the chemical system may be caused by, for example, absorption processes, decomposition reactions, complexing reactions, acid / alkali production / consumer chemical reactions.

A következőkben a találmány lényegét jelentő, kémiai egyensúlyi számításon alapuló pk íód óan.In the following, the pkode, based on the chemical equilibrium calculation, which is the essence of the invention.

•szabályozási lépést ismertetjük részletesen a 2. ábrához kapcso-A control step is described in detail with reference to FIG.

$·'· $ '

Amint azt a 2. ábra mutatja, a jelen találmány lényegi tárgyát képező szabályozást lépésben a kémiai rendszerben először a (későbbiekben részletesen ismertetésre kerülő kalibrálási folyamaton átesett) 12 pH-éiektróddal pH-mérést hajtunk végre. A mérés eredményeként a 12 pH-elektrőd kimenetén kapott villa5 mos jelet a 15 jelátalakító egységbe tápláljuk, digitalizáljuk, majd a 15 jelátalakító egység kimenetén megjelenő digitális jelet a 18 mikrovezériön keresztül a 26 feldolgozóegységbe tevábbitjuk, amely a digitális jelet a 12 pH-elektród kalibrációjának ismeretében pH-értéknek telelteti meg. Az igy megmért pH_m érték ismeretében ezután eldöntjük, hogy a ópH ~ (pH_fn - pH_fixj eltérés meghaladja-e a rögzítettAs shown in Figure 2, the step of controlling the subject matter of the present invention is to perform a pH measurement in the chemical system first using a pH electrode (12, which will be described in more detail below). As a result of the measurement, the fork signal at the output of the pH electrode 12 is fed to the transducer unit 15, digitized, and then the digital signal at the output of the transducer unit 15 is fed through microconductor 18 to the processing unit 26, which knows the calibration of the pH electrode 12. It overwhelms to pH. Knowing the pH _m thus measured, it is then determined whether the difference ópH ~ (pH _fn - pH _fixed j) exceeds the

ΔρΗ tóiéra nciaszinf et. Amennyiben nem (2. ábra „N” ága), a kémiai rendszer beavatkozást nem igényel, vagyis nincs szükség pH-változás kompenzálásra. Amennyiben Igen (2. ábra „Γ ága), pH-változás kompenzálásra van szükség. Ebhez célszerűen a 26 feldolgozőegység részét képező 23 memóriát, 24 processzort és 2.5 adattároló eszközt felhasználva (numerikusán vagy analitikusan) megoldjuk az előzőekben tárgyalt renószetspeeifiküs egyensúlyi egyenleteket. A számítás eredményeként kapjuk a kémiai rendszerbe beadagolni szükséges titrálőszer pontos mennyiségét, amit vezérlőparaméterként a 20 adagolóeszközhöz továbbítunk. A titrálőszer adagolandó mennyisége Ismeretében a 20 adagolóeszközzei beavatkozást hajtunk végre; a reakció következtében jelentkező pH-változás eh lensulyozása céljából a számított mennyiségű títrálőszert (amely vagy lúg, vagy sav) a 20 a folyadéktartályből a kémiai rendszerbe juttatjuk. Ezt követően a nagyobb pontosság (és ezáltal a megbízhatóbb pH-szabályozás) biztosítása érdekében adott esetben végrehajtjuk a kémiai rendszer homogenizátását, illetve a kémiai rendszer hőmérsékletének mérését és a kapott értéktől függően a rendszer hőmérsékletbeállítását, amennyiben ezen műveletek elvégzéséhez az alkalmazott pH-stat összeállítás a megfelelő elemekkel (Így például az 1. ábrának megfelelően 22 keverőszervvel 32 hőmérsékletmérővel és 33 termosztáttal) fel van· szerelve, Eközben a tekintett reakció a kémiai rendszerben folyamatosan zajlik, így változik a rendszerbeli pH. Annak eldöntésére, hogy szükség van-e a 20 adagelóeszköz30 zel végrehajtott ismételt beavatkozásra, újabb pH-mérést végzünk és annak Iményétö! függően az előzőekben elmondottak szerint járunk el. A 2. ábrán * 4 »* s feltüntetett „kilépés?” döntési lehetőség szükség esetén a reakció (például kívülről történő manuális) megszakítására nyújt módot.ΔρΗ tóra nciaszinf et. If not ("N" branch of Figure 2), the chemical system does not require any intervention, ie no pH change compensation is required. If Yes ("Γ branch" in Figure 2), pH change compensation is required. For this purpose, it is convenient to solve (by numerical or analytical means) the reno-specific equilibrium equations discussed above using the memory 23, the processor 24 and the data storage device 2.5 which are part of the processing unit 26. As a result of the calculation, the exact amount of titration agent to be added to the chemical system is obtained and transmitted to the dosing means as a control parameter. Amount of Titrating Agent to be Disposed In the knowledge of the dosing means 20, an intervention is performed; to calculate the pH change resulting from the reaction, the calculated amount of titer agent (which is either an alkali or an acid) is introduced from the fluid reservoir into the chemical system. Subsequently, if necessary, homogenization of the chemical system and measurement of the temperature of the chemical system and, depending on the value obtained, the temperature adjustment of the system may be carried out to obtain greater accuracy (and thus more reliable pH control). equipped with suitable elements (For example, as shown in Fig. 1, with 22 mixing elements, 32 thermometers and 33 thermostats). To determine whether repeated dosing with the dosing device 20 is necessary, a further pH measurement is performed and required. depending on what has been said above. The "quit?" Option shown in Figure 2 * 4 »* s provides a way to interrupt the reaction (for example, manually externally) if necessary.

A pH mérését és az ennek eredményétől függő mértékű beavatkozást a reakció lefolyásával egyidejűleg folyamatosan végrehajtva a vizsgált kémiai rend5 szerben fennálló pH-értéket egyetlen típusú titrálőszer beadagolásával oly módon közelítjük az előirt rögzített értékhez, illetve tartjuk annak közelében, hogy eközben az aktuálisan mért pH^ érték és az. előirt ρΗ?« érték öpH eltérése mindvégig a ΔρΗ toleranciaszinten belül marad. A pH-szabályozási lépést szemléltető 2. ábráról nyilvánvaló, hogy a beadagolandó titrálőszer mennyiségét az egyensúlyi egyenletek alapján a 26 feldoigozöegységgel célszerűen csupán abban az esetben határozzuk meg. ha a rendszerbeli pH aktuálisan mért értéke és a rögzített pH^-érték eltérése az előírt ΔρΗ toieranclaszintnéi nagyobb. Ez a pH-szabályozási lépés gyorsabb és megbízhatóbb végrehajtását teszi lehetővé.Measuring the pH and interfering with it as the result proceeds continuously with the course of the reaction, the pH of the chemical system being tested is approximated or maintained by the addition of a single type of titrating agent while maintaining the current pH value. and that. the deviation öΗH of the set value ρΗ? «remains within the tolerance level ΔρΗ. It is evident from Figure 2 illustrating the pH control step that the amount of titrator to be added is equilibrated with the treatment unit 26 only in this case. if the difference between the actual measured pH in the system and the recorded pH ^ is greater than the required ΔρΗ toierance level. This allows you to perform the pH control step faster and more reliably.

A kővetkezőkben a 3. ábra alapján egy olyan, előnyösen az 1. ábrán vázolt sztöchlometrikus pH-síaí 10 összeállítással a gyakorlatban megvalósított pH~stat eljárást mutatunk be általánosságban, amelynek a találmány lényegét jelentő pHszabályozási lépés a részét képezi.The following is a general description of a practically implemented pH-stat method using a stoichiometric pH-slide assembly 10, as outlined in Figure 1, which is a part of the pH-controlling step of the present invention.

Amint azt a 3. ábra mutatja, a pH-szabályozásnak alávetni szándékozott ismert mechanizmusé kémiai reakció meglnditását/megindulását megelőzően a 12 pH-elektródot a vizsgálat tárgyát képező, katalizátort nem tartalm azó kémiai rendszerben rendezzük el, végrehajtjuk a pH-stat lö összeállítás ezen kémiai rendszerre való kalibrálását (1ÖG-as, 110-es lépések), majd ezután megmérjük a kémiai rendszerben fennálló kiindulási pH-értéket (120-as lépés). A kalibrálás pontos végrehajtását az alábbiakban részletesen ismertetjük majd. Ezt követően célsze25 rően a kémiai egyensúlyi számítások alapját képező egyenleteket felhasználva a 26 feldolgozóegységgel meghatározzuk a kémiai rendszer reakcióba vinni szándékozott anyagának kiindulási koncentrációját (13ö-as lépés), amit (például manuálisan) a szükségletnek megfelelően módosíthatunk. Amennyiben a reakció katalizátor alkalmazását kívánja meg, úgy a következő lépésben a kémiai rend30 szerhez hozzáadjuk a kívánt reakció lejátszódását elősegítő katalizátort (140-es lépés) A katalizátor hozzáadását követően az adott esetben megváltozott pHérték meghatározása céljából ismételt pH-mérést hajtunk végre a 12 pH-elekt- 12 ·róddal (ISO-es lépés). Ezt követően célszerűen a rendszerspecifikus anyagmériegegyenletek felhasználásával a 26 feldolgozó-egységgel végrehajtott számítás étjén meghatározzuk az adagolandó tltrálószer ahhoz szükséges mennyiségét, hogy a kémiai rendszerben beálljon a tervezett reakció szempontjából optimális, rögzített pH?_ix-érték. A tltrálószer számított mennyiségét vezérlöparaméterként a 20 adagolóeszközhoz továbbítjuk, és a 20 adagolóeszközzei a 20a folyadéktartályból a szükséges tltrálószermennyiséget a kémiai rendszerbe adagoljuk (160-as lépés). Ezt kővetően megfelelő behatással (például a rendszeren kívülről történő besugárzással'; mec uk a végrehajtani szándékozott - célszerűen késleltetett indítású - kémiai reakciót (170-es lépés), például fotokatalizist. Ezután a pH-változásokat a lejátszódó kémiai reakciö(k) eredményeként jelentkező koncentráció-változás okozza. A rendszerben a tervezett kémiai reakció lefog sa során pH-szabályozás (180-as lépés) útján mindvégig az elöld rögzített pH;» értéket tartjuk fenn.As shown in Figure 3, prior to the initiation / initiation of a chemical reaction of a known mechanism to be subjected to pH control, the pH electrode 12 is arranged in the non-catalyst chemical system being tested, calibration system (steps 10µg, 110), and then the initial pH in the chemical system (step 120) is measured. The exact operation of the calibration will be described in detail below. Subsequently, utilizing the equations underlying the chemical equilibrium calculations, the processing unit 26 determines the initial concentration of the chemical system to be reacted (step 13), which can be adjusted (e.g. manually) as required. If the reaction requires the use of a catalyst, in the next step, a catalyst to facilitate the desired reaction is added to the chemical system (step 140). After addition of the catalyst, a repeated pH measurement is performed to determine the pH value, if any. electrode 12 · (ISO step). Subsequently, it is expedient to determine, by means of system-specific material balance equations, the amount of filtering agent to be added in order to adjust the chemical system to an optimal, fixed pH for the intended reaction. _ix value. The calculated amount of the filtering agent is transmitted as a control parameter to the dosing means 20 and the dosing means 20 feeds the required amount of the filtering agent from the fluid reservoir 20a to the chemical system (step 160). This is followed by appropriate exposure (for example, irradiation from the outside of the system) to the chemical reaction (step 170) intended to be carried out, preferably delayed, such as photocatalysis. In the system, the fixed chemical pH is maintained throughout the planned chemical reaction by means of pH control (step 180).

A következőkben a pH-stat eljárásban használatos 12 pH-elekfród kalibrálásának egyik előnyös példaként! változatát ismertetjük részletesen,The following is a preferred example of calibrating the pH electrode 12 used in the pH-stat method! version,

A precíz pH-mérés és a megbízható proton-/hidroxidlen-koncentráoiö számítás alapja az elektród, a tltrálószer és a kémiai rendszer (vagyis az összetevőkből összeálló elektrokémiai cella) kalibrálása. Ezen kalibrálás a pH-szabályozás folyamatába integrálva előnyösen a sztöchiomelnkus pH-stat 10 összeállítás működésének szerves részét képezheti. A kalibrálást két lépésben végezzük. Amint azt a 3. ábra mutatja (Id. a Wö-as lépést), első lépésben a pH mérésére szolgáló 12 pH-elektród pH~ka!lhrálását hajtjuk végre egymástól eltérő, azonban Ismert pHértékű pufferoldatokkal. Étihez a 12 pH-elektródbóí és a pufferoldatokbói elektrokémiai cellákat állítunk össze, az egyes cellákon cellafeszüitséget mérünk, cellafeszültség állandósulásának bekövetkezésekor ezen állandó feszültségértéket a pufféroldaf ismert pH-értékével együtt feljegyezzük. A pH-kaíibráláshoz célszerűen legalább három különböző pufferoldatot használunk fel; a pH-kailbrálás pontossága az alkalmazott püfferoídatok számával növelhető, azonban általában legfeljebb öt pufferoldatot használunk. A pH-kalibrálással célunk a cellafeszüitségpH összefüggés meghatározása. A feljegyzett adatpárokra lineáris függvényt illesztve kapjuk a cellafeszültség-pH összefüggést (amit az illesztett egyenesre jel♦ * .0 Φ * * « * *Accurate pH measurement and reliable proton / hydroxydlen concentration calculations are based on calibration of the electrode, filtering agent and chemical system (ie, the electrochemical cell consisting of the components). This calibration, when integrated into the pH control process, may advantageously be an integral part of the operation of the stoichiomelnic pH-stat assembly. Calibration is performed in two steps. As shown in Figure 3 (see step Wo), the first step involves pH-calibration of the pH electrode 12 with different but known pH buffers. For food, electrochemical cells are formed from the pH electrode 12 and the buffer solutions, the cell voltage is measured on each cell, and this constant voltage value is recorded along with the known pH of the buffer solution when the cell voltage stabilizes. At least three different buffer solutions are preferably used for pH calibration; the accuracy of pH calibration can be increased by the number of buffer solutions used, but generally no more than five buffer solutions are used. The purpose of pH calibration is to determine the cell voltage-PH relationship. By fitting a linear function to the pairs of recorded data, we obtain the cell voltage-pH relationship (indicated by the fitted line ♦ * .0 Φ * * «* *

XX Λ Φ ΦΦ «« íemzo paraméterekkel, azaz annak meredekségével és tengetymetszetével jellemzőnk). A 12 pH-elektród kalibrálása - a cellafeszültség-pH összefüggés - egy, a Hernst-egyenlettel analóg egyenlet formájába írható, a meredekség m« főleg a Hemst-faktorral egyezik meg. A továbbiakban a mindenkori pH-érték határozására az így kapott ceílafeszültség-pH összefüggést használjuk, amit előnyösen a 26 feldolgozóegységben tárolunk elXX Λ Φ ΦΦ «« is characterized by its parameters, ie its slope and axial section). The calibration of the pH electrode 12, the cell voltage-pH relationship, can be written in the form of an equation analogous to the Hernst equation, the slope being essentially the Hemst factor. In the following, the cellular voltage-pH relationship thus obtained, which is preferably stored in the processing unit 26, is used to determine the respective pH value.

Ezt kővetően hajtjuk végre a 12 pH~elektrőd koncentráció-kalibrálását (Id. a. 11ö-es lépést). Ehhez pontos ionerősségü eiektrohtoidafba ismert mennyiségű faktorozott sósavat (HCI) adagolunk. Keverést kővetően megmérjük a cellafeszült10 séget, majd a pH-fcallbráíás során nyert (egyenesre jellemző) paramétereket felhasználva kiszámítjuk az elektrolitodat pH-értékét Ezután az elektroíítoidáthoz Ismert mennyiségű (térfogatú) lúg titráíószert adagolunk és az előzőek szerinti eelíafeszűftség-merés, valamint pH-meghatározás útján iúgterfogat-pH adatpárokat származtatunk. Az így kapott adatpárokra a 1O'^pH ~ f{c_H4 es a 10^°^ ~ f(cc>H-) összefüggéseknek megfelelően lineáris függvényeket illesztve kapjuk a lügkoncentrációt, valamint a kémiai rendszert jellemző további paramétereket (az S_a = 1Ö^pH/cn₊ és az St, = IO'^/coh- meredekségek formájában, ahol e^· a vizsgált rendszerben fennálló proton-, míg a cqh- a vizsgált rendszerben fennálló- hídroxidion-koncenfrácíó), melyeket a később végzendő kiértékelésekhez való felhaszná20 fáshoz célszerűen szintén a 28 feidoigozóegységben tárolunk el.This is followed by concentration calibration of the pH electrode 12 (see step a. 11). To this end, a known amount of factorized hydrochloric acid (HCl) is added to an electrophthalate of exact ionic strength. After mixing, the cell tension is measured and the pH of the electrolyte is calculated using the parameters obtained during the pH-plating (line-specific). alpha volume pH data pairs are derived. The resulting pairs of data are fitted with linear functions corresponding to the ^pH 'f ~ c {4 _H 4 and the 10 ^ ° ^ ~ f (cc> H-) relationships and the other parameters characteristic of the chemical system (S _a = 100) ^pH / cn ₊ and St, = IO '^ / cohm slopes, where e ^ · is the proton concentration in the system under study and cqh is the hydroxide ion concentration in the system under study) which will be used for later evaluations20 for wood, it is also conveniently stored in the processing unit 28.

Végül ismert mennyiségű erős savat bírálunk erős lúggal, az eredmény kiértékelésével jutunk az analitikai protonkoncentráció és a mért pH-érték közötti összefüggéshez, ami az adott elektrokémiai cella kalibrálása az aktuális kísérleti körülmények között. Ezen összefüggést felhasználva számítható, hogy a kívánt pH-érték tartására irányuló folyamat esetében milyen mennyiségű titrálószer (vagy sav, vagy lúg) beadagolására van szükség. A szóban forgó összefüggést célszerűen ugyancsak a 28 feidoigozóegységben tároljuk el. A 12 pH-elektród pontosságának időbeli változása miatt a most Ismertetett kalibrálást minden pH~stat folyamat keretében célszerű elvégezni.Finally, a known amount of strong acid is criticized with a strong alkali, and the result is evaluated to determine the relationship between the analytical proton concentration and the measured pH, which is the calibration of the given electrochemical cell under the current experimental conditions. Using this relationship, it is possible to calculate the amount of titrating agent (either acid or alkali) required to maintain the desired pH. Preferably, said relationship is also stored in the processing unit 28. Due to changes in the accuracy of the 12 pH electrodes over time, it is advisable to perform the Calibration as described in each pH stat process.

A találmány szerinti sztöchiometríkus pH-stat 10 összeállítás alkalmazását, valamint a találmány szerinti pH-stat eljárás lefolytatásához szükséges, protonokraThe use of the stoichiometric pH-stat 10 assembly of the invention and the protons required for carrying out the pH-stat method of the invention

Α Λ « * V « « vonatkozó anyagmérlegegyenletet és efektroneutralitásí feltételt a továbbiakban egy nem korlátozó értelmű példával kívánjuk Illusztrálni.Vonatkozó Λ «* V« «The following is a non-limiting example to illustrate the applicable material balance equation and the effector neutrality condition.

PéldaExample

Az előzőekben ismertetett pH~stat 10 összeállítást díklórecetsav (DGA) ult5 raibolya (UV) besugárzás hatására lejátszódó fotokataiitikus bontásának nyomon követéséhez, továbbá a lejátszódó reakció optimális pH~értéken (pHf« = 3,11) tartásához kapcsolódóan kívánjuk szemléltetni., A reakcióban katalizátorként titándioxldot (TiO?) használunk, a kémiai rendszert erőteljes hűtésnek vetjük alá. A hűtés fokozása érdekében a fotokataiitikus bontást célszerűen a kémiai rendszer zárt körben megvalósított állandó- sebességgel történő keringtetése mellett hajtjuk végre.. A kémiai rendszerben fennálló pH-érték:et a kör egy meghatározott tartományában mérjük, célszerűen a kerlngtetésnek a mérés időtartamára történő leállítása mellett, A pH mért értékének hömérsékletfüggéséí ezen mérési tartomány állandó hőmérsékletre történő folyamatos termosztálásával küszöböljük kiThe pH-stat 10 assembly described above is illustrated in order to monitor the photocatalytic decomposition of dichloroacetic acid (DGA) under ultraviolet (UV) irradiation and to keep the reaction at optimum pH (pHf = 3.11) as a catalyst in the reaction. using titanium dioxide (TiO?), the chemical system is subjected to vigorous cooling. In order to enhance cooling, photocatalytic decomposition is preferably carried out by circulating the chemical system at a constant rate. The pH in the chemical system is measured in a defined range of the circle, preferably by stopping the cycling for a period of time, The temperature dependence of the measured pH value is eliminated by continuously thermostating this measuring range to constant temperature

A tekintett kémiai- rendszerben a DCA koncentrációja folyamatosan csökken. Ezt egyrészt 3 pH állandó- értéken tartása miatt (lúggal) végzett tltrálás (hígítás), másrészt a fotokataiitikus bomlás eredményezi.The concentration of DCA in this chemical system is constantly decreasing. This is due, on the one hand, to filtration (dilution) to maintain pH 3 (alkaline) and, on the other hand, to photocatalytic decomposition.

Tekintsünk egy tetszőleges számú bomlást magában foglaló véges Időtartamú bontási lépést! A DCA molekulák fotokataiitikus reakció hatására ezen lé20 pé-sben bekövetkező bomlásával a gyengén disszociáló díklórecetsav -Coca^í koncentrációja ácdca mértékben csökken; azaz cdcm ~ cocA.rsgi -~ Δο_0€Α; itt a Coca.^ koncentráció a bomlást megelőzően a rögzített pH^-értéknek megfelelően beállított, hígított DCA koncentrációt jelöli. A rendszerben a bomlási folyamatot követően jelen lévő DCA-anícnok koncentrációja a egyensúlyi dí-sszociáaós állandóra érvényes összefüggés alapján a [D-CAjüj - {(coe/w - ACdca) * M f (Ka ⁺[H*> összefüggéssel számítható, ahol <H*]^: a rendszerben jelen lévő összes szabad (azaz a 12 pH elektróddal mérhető) proton koncentrációja.Consider a finite decomposition step of any number of decompositions. The photocatalytic reaction of DCA molecules with the decomposition of this liquid in 20 psi results in a decrease in the concentration of the weakly dissociating dichloroacetic acid-Coca-C? ie cdcm ~ cocA.rsgi - ~ Δο _{0 € Α} ; Here, the concentration of Coca. ^ refers to the diluted DCA concentration adjusted to a fixed pH ^ prior to degradation. The concentration of DCA anion present in the system after the decomposition process is calculated from the equilibrium association constant given by [D-CAjjj - {(coe / w - ACdca) * M f (Ka ⁺ [H *>), where < H ^+]: all available (i.e. measured the pH electrode 12) by proton present in the system concentration.

A bomlás eredményeként DCA molekulánként két-két HC1 molekula keletkezik, amelyek dlsszocíálnák, Így a rendszerben megjelenő klorid anionok [Cl·] koncentrációja éppen 2 z\cocA~vai egyezik meg.The decomposition results in two HCl molecules per molecule of DCA, which would then dissociate, so that the concentration of chloride anions [Cl ·] present in the system is exactly 2 z · cocA.

Az. elektroneutralltásl feltétel a bontási lépés után kialakuló űj egyensúlyi állapotban is teljesül, vagyis a rendszerbeli ionkoncentrációkra a [H*j +· [Na*] ~The electron neutralization condition is also fulfilled at the new equilibrium state after the decomposition step, that is, for the ionic concentrations in the system, [H * j + · [Na *] ~

Φ ♦ XΦ ♦ X

[DCA'h; + [CI1 + [OH'} összefüggés áll fenn. Ez az: előzőek szedni nyert (DCA'}& és [Crj koncentrációkat, valamint a rendszer hlg u kását felhasználva a (H' j ± (c,;*,. * v_í(!f) ~ (Coca,régi - óCoca) * hé / (Ká ± :lH^f}} * 2 zIcoca ⁴ K$H’j alakba írható. Ezen utóbbi egyenletből a DCA koncentráctöváltozására egyszerű algebrai átalakítás után a[DCA'h; + [CI1 + [OH '} relationship exists. This is: using previous concentrations (DCA '} & and [Crj and the system control) to use (H' j ± (c,; *,. * V _{í (! F} ) ~ (Coca, old - ÓCoca ) * he / / (Ka ±: lH ^f }} * 2 zIcoca ⁴ K $ H'j. From this latter equation, for simple concentration conversion of DCA,

ACdca {[H*1 ± W(Vs⁴W ~ Csaw. * MKd+jWi) - MH*> / (2 - K^K^p-f 0) (2) összefüggés adódik. A találmány szerinti, pH rögzített értéken tartására szolgáló eljárást a korábban származtatott (1) egyenlet jelen kémiai rendszerre adaptált változatának (azaz cma ^ξ coca), továbbá a (2) egyenletnek és a coca,.üj - cdca,»^ ~ ácqca összefüggésnek az együttes használatával hajtjuk végre a korábban ismertetett egymás utáni iteratív lépésekben oly módon, hogy az adott lépésben szükséges títrálöszer v^ mennyiségének az (1) egyenlet alapján történő kiszámításához a Coca teljes savkoncentrációnak a megelőző bontási lépésben a (2) egyenlet15 bőt származtatott Aőgca koncentráció-változással csökkentett értékét használjuk fel.ACdca {[H * 1 ± W (Vs ⁴ W ~ Csaw. * MKd + jWi) - MH *> / (2 - K ^ K ^ pf 0) (2). The method of maintaining the pH of the invention according to the invention is based on the adaptation of the previously derived equation (1) adapted to the present chemical system (i.e., cma ^ξ coca) and the relationship between equation (2) and coca, jj-cdca, ^ ^ ~cqca is performed in the aforementioned sequential iterative steps, such that the total acid concentration of Coca in the preceding decomposition step is calculated by equating (15) with the Aőgca concentration change to calculate the total amount of titrating agent required in that step from equation (1). using the reduced value.

A tekintett példaként! folyamatban a pH rögzített értéken tartásához titrálószerként lóg beadagolására van szükség. A 4. ábra a lúgfogyás változását szemlélteti a besugárzás idótartamának függvényében. A pH rögzített értéken tartásához szükséges lúg mennyiségéből az elbomlott DCA mennyisége az előzőek sze~ ónt pontosan számítható, illetve a bomlási reakció kinetikája nyomon követhető. Az 5. ábra a kémiai rendszerben mért pH-érték időbeli változását szemlélteti. Az 5. ábráról jól látható, hogy a TiCh-DCA szuszpenzióban az UV besugárzás időtartama alatt a találmány szerinti sztöchiometrikas pH-stat 10 összeállítással a fotokatalitikus bontás szempontjából optimális ρΗ?_ίχ - 3,11 érték ±0,02 pB~egységnyi (azaz ±ö,6%~os) hibával mindvégig tartható. Megjegyezzük, hogy ezen hiba egy része a pH-mérés ±0,01 pH-egységnyl szisztematikus hibájából származik, vagyis a 15 jelátalakító egység pontosságának a fokozásával mérsékelhető. A toleranciaszintet, vagyis a ΔρΗ ~ jpHg_x ± k-pH$4 értéket a jelen példában a k ~ ö,05 választással rögzítettük.As an example! in the process, hanging as a titrating agent is required to maintain the pH at a fixed value. Figure 4 illustrates the change in alkaline consumption versus the duration of irradiation. From the amount of alkali required to maintain the pH at a fixed value, the amount of decomposed DCA can be accurately calculated and the kinetics of the decomposition reaction can be monitored. Figure 5 illustrates the change in pH of the chemical system over time. Figure 5 clearly shows that the stoichiometric pH of 10 in the TiCh-DCA suspension is optimal for photocatalytic decomposition during the UV irradiation period. _ίχ - a value of 3.11 can be maintained with an error of ± 0.02 pB ~ (i.e., ± 6, 6%). Note that part of this error is due to a systematic error in the pH measurement of ± 0.01 pH unit, i.e., it can be mitigated by increasing the accuracy of the transducer 15. The tolerance level, i.e. ΔρΗ ~ jpHg _x ± k-pH $ 4, was fixed in this example by choosing ak0.05.

Végezetül itt kívánjuk megjegyezni, hogy a DCA fotokatalitikus bontásától eltérő (adott: esetben katalitikus) folyamatokban, vagy egyéb okból bekövetkező gyenge sav koncentráció-, illetve protonkoncentráció-váitozással járó folyamatok* * bán ~~ amennyiben az egyensúlyi egy, a rendszerben jelen lévő gyenge sav disszociáciös egyensúlya (puffan határozza meg - a találmány szerinti pH-stat eljárás végrehajtásához csupán a gyenge sav koncentrácíőváltozását szolgáltató (2) egyenletet kell átdolgozni a tekintett rendszerben ténylegesen lejátszódó fo5 lyamatok anyagmérlegegyenleteinek és elektroneutralitási feltételének a felhasználásával.Finally, it should be noted that weak acid concentration and / or proton concentration changes in processes other than photocatalytic decomposition of DCA (or where appropriate catalytic), or other reasons, are caused by a weak acid present in the system. dissociative equilibrium (determined by puffan), in order to carry out the pH-stat process of the present invention, only equation (2) providing the concentration change of the weak acid needs to be revised using the material balance equations and electron neutrality conditions of the processes actually occurring in the system.

Claims

S2ABBAALW REQUIREMENTS

A process for adjusting pH to a fixed value, comprising: (a) measuring a pH in a system of known reaction reactions of known reactors;

(B) providing, after step (a), at least one equilibrium mass balance equation and at least one electron-neutralization equation for the reactants as components;

(c) solving the equations established, thereby determining a so titrálószermennyiséget which case the system administration measured in the PH10 system value (IM) and a fixed deviation on the intended pH value (pH§ _x) (OPh) is minimized;

(d) adding to the system an amount of a single type of titrating agent having the effect of counteracting a change in pH in the system, in an amount equal to the amount of transfusion agent determined in step (c).

15 to bring the pH measured in the system closer to the fixed pH and, if desired, steps (a) to (d) for a deviation of the measured pH from the fixed pH (ΔρΗ) greater than until the reactions in the system are complete or interrupted using an unchanged type of evening meal, keeping the system pH (at a given tolerance level) at a fixed value.

The process according to claim 1, wherein the titration ester is an alkali, preferably a strong alkali.

3. A process according to claim 1, wherein the acidifying agent is preferably an acid, preferably a strong acid.

25

4. A method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the system pH is measured with a ρΗ electrode, which is precalibrated,

5. The method of claim 4 wherein the calibration comprises performing pH calibration and concentration calibration,

30

6. A process according to any one of claims 1 to 6, wherein it is carried out in an automated form.

A stoichiometric pH-stat assembly having a separate measuring means and an actuator for communicating with the processing unit (26), the measuring organ having a means for measuring pH and transmitting the result of the pH measurement to the processing unit (28); actuator main ·

Provides a dosing means (20) coupled to 5 fluid reservoirs (2a), such that the processor (26) has at least one equilibrium mass balance equation and at least one electron defraction equation for the system of known reactants of known reactants as components. the equation being adapted to determine the titration amount needed to minimize the difference between the measured pHi0 value and a fixed pH value, and wherein the dosing means (20) provides a dosing volume from the fluid reservoir (20a) as a control parameter,

15

The pH-stat assembly of claim 7, wherein the measuring organ has a pH electrode (12) for measuring the pH.

The pH-stat assembly according to claim 7, characterized in that the measuring result provided by the pH electrode (12) is converted into a digital electrical signal by the measuring organ and transmitted to the processing unit (26).

It has 20 transducer units (15).

The pH-stat assembly according to claim 9, characterized in that, if desired, other system parameters, in particular temperature values, are present between the signal transducer unit (15) and the processing unit (26). a microcontroller (18) for receiving and transmitting them to the processing unit (28).

25

11. A pH-stat assembly according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the processing unit (26) has a processor (24) adapted for performing analytical or numerical calculations and storing the results, as well as a memory (23) and / or data storage means (25).

The pH-stat composition according to claim 11, characterized in that a

The processing unit (28) is a computer, preferably a portable computer.